NET框架之中精通CLR如何创设运行时对象,NET框架之中了然CLR怎么样成立运行时对象

原稿地址:http://msdn.microsoft.com/en-us/magazine/cc163791.aspx
原文发表日期: 9/19/2005
原文已经被 Microsoft
删除了,收集过程中发觉众多篇章图都不全,这是因为原文的图都不全,所以特收集完整全文。

本页内容

目录

 

前言

  • SystemDomain, SharedDomain, and DefaultDomain。
  • 目标布局和内存细节。
  • 主意表布局。
  • 措施分派(Method dispatching)。

因为国有语言运行时(CLR)即将成为在Windows上创设应用程序的主角级基础架构,
多领会点关于CLR的深浅认识会支援你构建高效的, 工业级健壮的采取程序.
在这篇小说中, 咱们会浏览,调查CLR的内在精神, 包括对象实例布局,
方法表的布局, 方法分派, 基于接口的摊派, 和各式各种的数额结构.

大家会动用由C#写成的非常简单的代码示例,
所以任何对编程语言的隐式引用都是以C#语言为对象的.
研讨的部分数据结构和算法会在Microsoft® .NET Framework 2.0中改变,
不过大部分的定义是不会变的. 我们会采纳Visual Studio® .NET 2003
Debugger和debugger extension Son of Strike (SOS)来窥探一些多少结构.
SOS可以领略CLR内部的数据结构, 可以dump出有用的音信. 通篇,
我们会谈谈在Shared Source CLI(SSCLI)中存有相关兑现的类, 你可以从
http://msdn.microsoft.com/net/sscli 下载到它们.

图表1 会帮忙你在寻觅一些布局的时候到SSCLI中的音信.

ITEM SSCLI PATH
AppDomain sscliclrsrcvmappdomain.hpp
AppDomainStringLiteralMap sscliclrsrcvmstringliteralmap.h
BaseDomain sscliclrsrcvmappdomain.hpp
ClassLoader sscliclrsrcvmclsload.hpp
EEClass sscliclrsrcvmclass.h
FieldDescs sscliclrsrcvmfield.h
GCHeap sscliclrsrcvmgc.h
GlobalStringLiteralMap sscliclrsrcvmstringliteralmap.h
HandleTable sscliclrsrcvmhandletable.h
InterfaceVTableMapMgr sscliclrsrcvmappdomain.hpp
Large Object Heap sscliclrsrcvmgc.h
LayoutKind sscliclrsrcbclsystemruntimeinteropserviceslayoutkind.cs
LoaderHeaps sscliclrsrcincutilcode.h
MethodDescs sscliclrsrcvmmethod.hpp
MethodTables sscliclrsrcvmclass.h
OBJECTREF sscliclrsrcvmtypehandle.h
SecurityContext sscliclrsrcvmsecurity.h
SecurityDescriptor sscliclrsrcvmsecurity.h
SharedDomain sscliclrsrcvmappdomain.hpp
StructLayoutAttribute sscliclrsrcbclsystemruntimeinteropservicesattributes.cs
SyncTableEntry sscliclrsrcvmsyncblk.h
System namespace sscliclrsrcbclsystem
SystemDomain sscliclrsrcvmappdomain.hpp
TypeHandle sscliclrsrcvmtypehandle.h

在我们最先前,请小心:本文提供的信息只对在X86平台上运行的.NET Framework
1.1可行(对于Shared Source CLI
1.0也多数适用,只是在好几交互操作的气象下必须小心例外),对于.NET
Framework
2.0会有改变,所以请不要在构建软件时依赖于那个内部结构的不变性。

图片 1
CLR启动程序(Bootstrap)创造的域

CLR启动程序(Bootstrap)创设的域

在CLR执行托管代码的首先行代码前,会创制几个使用程序域。其中三个对于托管代码甚至CLR宿主程序(CLR
hosts)都是不可见的。它们只好由CLR启动进程创立,而提供CLR启动进程的是shim——mscoree.dll和mscorwks.dll
(在多处理器系统下是mscorsvr.dll)。正如 图2
所示,这几个域是系统域(System Domain)和共享域(Shared
Domain),都是行使了单件(Singleton)格局。第五个域是缺省应用程序域(Default
AppDomain),它是一个AppDomain的实例,也是绝无仅有的有命名的域。对于简易的CLR宿主程序,比如控制台程序,默认的域名由可实施映象文件的名字组成。其余的域可以在托管代码中动用AppDomain.CreateDomain方法创立,或者在非托管的代码中拔取ICORRuntimeHost接口创立。复杂的宿主程序,比如
ASP.NET,对于特定的网站会按照应用程序的数码创造多个域。

图 2 由CLR启动程序创制的域 ↓

图片 2

图片 3
系统域(System Domain)

系统域(System Domain)

系统域负责成立和先导化共享域和默认使用程序域。它将系统库mscorlib.dll载入共享域,并且珍视过程范围里边使用的带有或者显式字符串符号。

字符串驻留(string interning)是 .NET Framework
1.1中的一个优化特性,它的处理方法显得有点昏头转向,因为CLR没有给程序集机会选用此特性。即便如此,由于在拥有的利用程序域中对一个特定的符号只保留一个遥相呼应的字符串,此特性能够省去内存空间。

系统域还背负暴发过程范围的接口ID,并用来创制每个应用程序域的接口虚表映射图(InterfaceVtableMaps)的接口。系统域在经过中维系跟踪所有域,并落实加载和卸载应用程序域的效应。

图片 4
共享域(Shared Domain)

共享域(Shared Domain)

享有不属于此外特定域的代码被加载到系统库SharedDomain.Mscorlib,对于拥有应用程序域的用户代码都是必需的。它会被电动加载到共享域中。系统命名空间的主干类型,如Object,
ValueType, Array, Enum, String, and
Delegate等等,在CLR启动程序过程中被优先加载到本域中。用户代码也得以被加载到那一个域中,方法是在调用CorBindToRuntimeEx时拔取由CLR宿主程序指定的LoaderOptimization特性。控制台程序也可以加载代码到共享域中,方法是利用System.LoaderOptimizationAttribute特性阐明Main方法。共享域还管理一个利用基地址作为目录的次序集映射图,此映射图作为管理共享程序集依赖关系的查找表,这么些程序集被加载到默认域(DefaultDomain)和另外在托管代码中开创的利用程序域。非共享的用户代码被加载到默认域。

图片 5
默认域(Default Domain)

默认域(Default Domain)

默认域是利用程序域(AppDomain)的一个实例,一般的应用程序代码在里边运行。即便有些应用程序需要在运作时创设额外的拔取程序域(比如有些使用插件,plug-in,架构或者举办首要的运行时代码生成工作的应用程序),大部分的应用程序在运转期间只开创一个域。所有在此域运行的代码都是在域层次上有上下文限制。如若一个应用程序有六个利用程序域,任何的域间访问会通过.NET
Remoting代理。额外的域内上下文限制音讯可以动用System.ContextBoundObject派生的花色创造。每个应用程序域有谈得来的武威描述符(SecurityDescriptor),安全上下文(SecurityContext)和默认上下文(DefaultContext),还有团结的加载器堆(高频堆,低频堆和代理堆),句柄表,接口虚表管理器和顺序集缓存。

图片 6
加载器堆(Loader Heaps)

加载器堆(Loader Heaps)

加载器堆的职能是加载不同的运行时CLR部件和优化在域的万事生命期内设有的预制构件。这多少个堆的增强基于可预测块,这样可以使碎片最小化。加载器堆不同于垃圾回收堆(或者对称多处理器上的多少个堆),垃圾回收堆保存对象实例,而加载器堆同时保留类型系统。经常访问的部件如方法表,方法描述,域描述和接口图,分配在三番两遍堆上,而较少访问的数据结构如EEClass和类加载器及其查找表,分配在低频堆。代理堆保存用于代码访问安全性(code
access security, CAS)的代办部件,如COM封装调用和平台调用(P/Invoke)。

从高层次理解域后,我们准备看看它们在一个概括的应用程序的左右文中的情理细节,见
图3。我们在程序运行时停在mc.Method1(),然后使用SOS调试器扩张命令DumpDomain来输出域的信息。(请查看
Son of
Strike
打探SOS的加载音信)。这里是编写后的输出:

图3 Sample1.exe

!DumpDomain
System Domain: 793e9d58, LowFrequencyHeap: 793e9dbc,
HighFrequencyHeap: 793e9e14, StubHeap: 793e9e6c,
Assembly: 0015aa68 [mscorlib], ClassLoader: 0015ab40

Shared Domain: 793eb278, LowFrequencyHeap: 793eb2dc,
HighFrequencyHeap: 793eb334, StubHeap: 793eb38c,
Assembly: 0015aa68 [mscorlib], ClassLoader: 0015ab40

Domain 1: 149100, LowFrequencyHeap: 00149164,
HighFrequencyHeap: 001491bc, StubHeap: 00149214,
Name: Sample1.exe, Assembly: 00164938 [Sample1],
ClassLoader: 00164a78

using System;

public interface MyInterface1
{
    void Method1();
    void Method2();
}
public interface MyInterface2
{
    void Method2();
    void Method3();
}

class MyClass : MyInterface1, MyInterface2
{
    public static string str = "MyString";
    public static uint   ui = 0xAAAAAAAA;
    public void Method1() { Console.WriteLine("Method1"); }
    public void Method2() { Console.WriteLine("Method2"); }
    public virtual void Method3() { Console.WriteLine("Method3"); }
}

class Program
{
    static void Main()
    {
        MyClass mc = new MyClass();
        MyInterface1 mi1 = mc;
        MyInterface2 mi2 = mc;

        int i = MyClass.str.Length;
        uint j = MyClass.ui;

        mc.Method1();
        mi1.Method1();
        mi1.Method2();
        mi2.Method2();
        mi2.Method3();
        mc.Method3();
    }
}

俺们的控制台程序,萨姆(Sam)ple1.exe,被加载到一个名为”山姆(Sam)ple1.exe”的采取程序域。Mscorlib.dll被加载到共享域,但是因为它是基本系统库,所以也在系统域中列出。每个域会分配一个再三堆,低频堆和代办堆。系统域和共享域使用同样的类加载器,而默认应用程序使用自己的类加载器。

出口没有显得加载器堆的保留尺寸和已交给尺寸。高频堆的初步化大小是32KB,每一次提交4KB。SOS的出口也未曾显示接口虚表堆(InterfaceVtableMap)。每个域有一个接口虚表堆(简称为IVMap),由自己的加载器堆在域先河化阶段创建。IVMap保留大小是4KB,起初时交由4KB。我们将会在继续部分探究项目布局时研讨IVMap的意义。

图2
彰显默认的经过堆,JIT代码堆,GC堆(用于小目的)和大目标堆(用于大小相等还是超越85000字节的目的),它注脚了这多少个堆和加载器堆的语义区别。即时(just-in-time,
JIT)编译器暴发x86指令并且保留到JIT代码堆中。GC堆和大目标堆是用来托管对象实例化的污物回收堆。

图片 7
项目原理

品种原理

连串是.NET编程中的基本单元。在C#中,类型可以行使class,struct和interface关键字展开宣示。大多数品种由程序员显式成立,不过,在特此外交互操作(interop)状况和长途对象调用(.NET
Remoting)场面中,.NET
CLR会隐式的发出类型,那个发生的体系涵盖COM和运作时可调用封装及传输代理(Runtime
Callable Wrappers and Transparent Proxies)。

我们经过一个分包对象引用的栈先河探讨.NET类型原理(典型地,栈是一个目的实例初叶生命期的地点)。
图4中显得的代码包含一个简短的程序,它有一个控制台的入口点,调用了一个静态方法。Method1创设一个SmallClass的门类实例,该项目涵盖一个字节数组,用于演示怎么着在大目的堆创造对象。即使这是一段无聊的代码,可是能够辅助我们开展座谈。

图4 Large Objects and Small Objects

using System;

class SmallClass
{
    private byte[] _largeObj;
    public SmallClass(int size)
    {
        _largeObj = new byte[size];
        _largeObj[0] = 0xAA;
        _largeObj[1] = 0xBB;
        _largeObj[2] = 0xCC;
    }

    public byte[] LargeObj
    {
        get { return this._largeObj; }
    }
}

class SimpleProgram
{
    static void Main(string[] args)
    {
        SmallClass smallObj = SimpleProgram.Create(84930,10,15,20,25);
        return;
    }

    static SmallClass Create(int size1, int size2, int size3,
        int size4, int size5)
    {
        int objSize = size1 + size2 + size3 + size4 + size5;
        SmallClass smallObj = new SmallClass(objSize);
        return smallObj;
    }
}

图5 呈现了结束在Create方法”return smallObj;”
代码行断点时的fastcall栈结构(fastcall时.NET的调用规范,它评释在可能的场馆下将函数参数通过寄存器传递,而任何参数遵照从右到左的逐一入栈,然后由被调用函数完成出栈操作)。本地值类型变量objSize内含在栈结构中。引用类型变量如smallObj以稳定大小(4字节DWORD)保存在栈中,包含了在相似GC堆中分配的目标的地址。对于价值观C++,那是目标的指针;在托管世界中,它是目的的引用。不管如何,它涵盖了一个对象实例的地址,我们将采取术语对象实例(ObjectInstance)描述对象引用指向地址位置的数据结构。

图5 SimpleProgram的栈结构和堆

图片 8

相似GC堆上的smallObj对象实例包含一个名为 _largeObj
的字节数组(注意,图中呈现的大大小小为85016字节,是事实上的储备大小)。CLR对超过或等于85000字节的靶子的处理和小目的不同。大目标在大目的堆(LOH)上分红,而小目的在形似GC堆上成立,这样能够优化对象的分红和回收。LOH不会减小,而GC堆在GC回收时开展削减。还有,LOH只会在一齐GC回收时被回收。

smallObj的目标实例包含类型句柄(TypeHandle),指向对应档次的方法表。每个讲明的品种有一个方法表,而同样类型的装有目标实例都对准同一个方法表。它蕴含了档次的特色音信(接口,抽象类,具体类,COM封装和代办),实现的接口数目,用于接口分派的接口图,方法表的槽(slot)数目,指向相应实现的槽表。

模式表指向一个名为EEClass的重中之重数据结构。在点子表创立前,CLR类加载器从元数据中开创EEClass。
图4中,SmallClass的点子表指向它的EEClass。这多少个构造指向它们的模块和次序集。方法表和EEClass一般分配在共享域的加载器堆。加载器堆和行使程序域关联,这里涉及的数据结构一旦被加载到里头,就直到应用程序域卸载时才会没有。而且,默认的使用程序域不会被卸载,所以这么些代码的生存期是结束CLR关闭停止。

图片 9
目的实例

对象实例

正如我们说过的,所有值类型的实例或者隐含在线程栈上,或者隐含在 GC
堆上。所有的引用类型在 GC 堆或者 LOH 上开创。图 6
彰显了一个卓越的对象布局。一个目的足以经过以下途径被引述:基于栈的一对变量,在交互操作依旧平台调用情状下的句柄表,寄存器(执行措施时的
this 指针和艺术参数),拥有终结器( finalizer )方法的靶子的终结器队列。
OBJECTREF 不是指向目标实例的上马地点,而是有一个 DWORD 的偏移量( 4
字节)。此 DWORD 称为对象头,保存一个针对性 SyncTableEntry 表的目录(从 1
开始计数的 syncblk
编号。因为经过索引进行连续,所以在需要增添表的轻重缓急时, CLR
可以在内存中活动这一个表。 SyncTableEntry 维护一个反向的弱引用,以便 CLR
能够跟踪 SyncBlock 的所有权。弱引用让 GC
可以在并未此外强引用存在时回收对象。 SyncTableEntry 还保存了一个针对
SyncBlock
的指针,包含了很少需要被一个对象的享有实例使用的实用的音讯。这多少个音信包括对象锁,哈希编码,任何转换层
(thunking) 数据和动用程序域的目录。对于绝大多数的目的实例,不会为实在的
SyncBlock 分配内存,而且 syncblk 编号为 0 。这点在执行线程碰到如
lock(obj) 或者 obj.GetHashCode 的口舌时会暴发变化,如下所示:

SmallClass obj = new SmallClass()
// Do some work here
lock(obj) { /* Do some synchronized work here */ }
obj.GetHashCode();

图 6 对象实例布局
图片 10

在以上代码中, smallObj 会动用 0 作为它的开局的 syncblk 编号。 lock
语句使得 CLR 成立一个 syncblk 入口并利用相应的数值更新对象头。因为 C#
的 lock 关键字会扩大为 try-finally 语句并动用 Monitor 类,一个用作同步的
Monitor 对象在 syncblk 上创制。堆 GetHashCode
的调用会利用对象的哈希编码增添 syncblk 。
在 SyncBlock 中有其他的域,它们在 COM 交互操作和封送委托( marshaling
delegates )到非托管代码时利用,不过这和独立的对象用处无关。
品种句柄紧跟在对象实例中的 syncblk
编号后。为了保障连续性,我会在认证实例变量后啄磨类型句柄。实例域(
Instance field
)的变量列表紧跟在项目句柄后。默认处境下,实例域会以内存最实用利用的法子排列,那样只需要最少的作为对齐的填充字节。
7
的代码呈现了 SimpleClass 包含有一些不比尺寸的实例变量。

图 7 SimpleClass with Instance Variables

class SimpleClass
{
    private byte b1 = 1;                // 1 byte
    private byte b2 = 2;                // 1 byte
    private byte b3 = 3;                // 1 byte
    private byte b4 = 4;                // 1 byte
    private char c1 = 'A';              // 2 bytes
    private char c2 = 'B';              // 2 bytes
    private short s1 = 11;              // 2 bytes
    private short s2 = 12;              // 2 bytes
    private int i1 = 21;                // 4 bytes
    private long l1 = 31;               // 8 bytes
    private string str = "MyString"; // 4 bytes (only OBJECTREF)

    //Total instance variable size = 28 bytes 

    static void Main()
    {
        SimpleClass simpleObj = new SimpleClass();
        return;
    }
}

图 8 彰显了在 Visual Studio 调试器的内存窗口中的一个 SimpleClass
对象实例。大家在图 7 的 return 语句处设置了断点,然后利用 ECX
寄存器保存的 simpleObj 地址在内存窗口体现对象实例。前 4 个字节是 syncblk
编号。因为我们尚无用别样共同代码应用此实例(也从未访问它的哈希编码),
syncblk 编号为 0 。保存在栈变量的靶子实例,指向起初地点的 4
个字节的偏移处。字节变量 b1,b2,b3 和 b4 被一个接一个的排列在一齐。多少个short 类型变量 s1 和 s2 也被排列在一块儿。字符串变量 str 是一个 4 字节的
OBJECTREF ,指向 GC
堆中分配的莫过于的字符串实例。字符串是一个专门的品种,因为拥有包含同样文字标记的字符串,会在先后集加载到过程时指向一个大局字符串表的平等实例。这些历程称为字符串驻留(
string interning ),设计目的是优化内存的行使。大家事先曾经提过,在 NET
Framework 1.1 中,程序集不可能选拔是否使用这些过程,即使将来版本的 CLR
可能会提供这样的能力。

图 8 Debugger Memory Window for Object Instance
图片 11

由此默认情状下,成员变量在源代码中的词典顺序没有在内存中保持。在互相操作的动静下,词典顺序必须被封存到内存中,这时可以动用
StructLayoutAttribute 特性,它有一个 LayoutKind 的枚举类型作为参数。
LayoutKind.Sequential 可以为被封送( marshaled
)数据保持词典顺序,尽管在 .NET Framework 1.1
中,它没有影响托管的布局(然而 .NET Framework 2.0
可能会那样做)。在相互操作的情况下,假设您真的需要异常的填充字节和出示的控制域的一一,
LayoutKind.Explicit 可以和域层次的 Field(Field)Offset 特性一起利用。

看完底层的内存内容后,大家接纳 SOS 看看对象实例。一个立竿见影的吩咐是
DumpHeap
,它可以列出所有的堆内容和一个专程类型的具备实例。无需依赖寄存器,
DumpHeap 可以显示我们创造的唯一一个实例的地点。

!DumpHeap -type SimpleClass
Loaded Son of Strike data table version 5 from
"C:WINDOWSMicrosoft.NETFrameworkv1.1.4322mscorwks.dll"
 Address       MT     Size
00a8197c 00955124       36
Last good object: 00a819a0
total 1 objects
Statistics:
      MT    Count TotalSize Class Name
  955124        1        36 SimpleClass

目的的总大小是 36 字节,不管字符串多大, SimpleClass 的实例只包含一个
DWORD 的对象引用。 SimpleClass 的实例变量只占用 28 字节,其余 8
个字节包括项目句柄( 4 字节)和 syncblk 编号( 4 字节)。找到 simpleObj
实例的地方后,我们得以选择 DumpObj 命令输出它的情节,如下所示:

!DumpObj 0x00a8197c
Name: SimpleClass
MethodTable 0x00955124
EEClass 0x02ca33b0
Size 36(0x24) bytes
FieldDesc*: 00955064
      MT    Field   Offset                 Type       Attr    Value Name
00955124  400000a        4         System.Int64   instance      31 l1
00955124  400000b        c                CLASS   instance 00a819a0 str
    << some fields omitted from the display for brevity >>
00955124  4000003       1e          System.Byte   instance        3 b3
00955124  4000004       1f          System.Byte   instance        4 b4

正如以前说过, C# 编译器对于类的默认布局使用 LayoutType.Auto
(对于社团采用 LayoutType.Sequential
);因而类加载器重新排列实例域以最小化填充字节。大家可以运用 ObjSize
来输出包含被 str 实例占用的上空,如下所示:

!ObjSize 0x00a8197c
sizeof(00a8197c) =       72 (    0x48) bytes (SimpleClass)

假如您从目的图的大局大小( 72 字节)减去 SimpleClass 的深浅( 36
字节),就足以博得 str 的轻重,即 36 字节。让我们输出 str
实例来证实那么些结果:

!DumpObj 0x00a819a0
Name: System.String
MethodTable 0x009742d8
EEClass 0x02c4c6c4
Size 36(0x24) bytes

假定你将字符串实例的分寸(36字节)加上SimpleClass实例的尺寸(36字节),就可以拿到ObjSize命令报告的总大小72字节。

请小心ObjSize不含有syncblk结构占用的内存。而且,在.NET Framework
1.1中,CLR不精通非托管资源占用的内存,如GDI对象,COM对象,文件句柄等等;由此它们不会被这多少个命令报告。

针对方法表的系列句柄在syncblk编号后分配。在对象实例创制前,CLR查看加载类型,就算没有找到,则举行加载,得到方法表地址,创造对象实例,然后把项目句柄值追加到目的实例中。JIT编译器暴发的代码在展开艺术分派时行使项目句柄来稳定方法表。CLR在急需史可以透过措施表反向访问加载类型时使用项目句柄。

Son of Strike
SOS调试器扩充程序用于本文化的显示CLR数据结构的内容,它是 .NET
Framework 安装程序的一部分,位于
%windir%\Microsoft.NET\Framework\v1.1.4322。SOS加载到过程在此之前,在
Visual Studio 中启用托管代码调试。 添加 SOS.dll
所在的文件夹到PATH环境变量中。 加载 SOS.dll, 然后装置一个断点, 打开
Debug|Windows|Immediate。然后在 Immediate 窗口中实践 .load
sos.dll。使用 !help
获取调试相关的一对命令,关于SOS更多消息,参考这里

图片 12
方法表

方法表

每个类和实例在加载到利用程序域时,会在内存中经过艺术表来表示。这是在对象的率先个实例成立前的类加载活动的结果。对象实例表示的是场所,而艺术表表示了作为。通过EEClass,方法表把对象实例绑定到被语言编译器暴发的映射到内存的元数据结构(metadata
structures)。方法表包含的信息和外挂的音讯可以透过System.Type访问。指向方法表的指针在托管代码中得以因此Type.RuntimeTypeHandle属性得到。对象实例包含的品种句柄指向方法表起首地点的晃动处,偏移量默认情形下是12字节,包含了GC信息。我们不打算在此地对其举办啄磨。

图 9
突显了法子表的优异布局。我们会讲明项目句柄的有的首要的域,可是对于截然的列表,请参考此图。让大家从基实例大小(Base
Instance Size)最先,因为它平昔关联到运行时的内存状态。

图 9 方法表布局

图片 13

图片 14
基实例大小

基实例大小

基实例大小是由类加载器统计的靶子的大大小小,基于代码中宣示的域。从前已经探究过,当前GC的实现内需一个最少12字节的指标实例。如果一个类没有定义任何实例域,它起码含有额外的4个字节。其余的8个字节被对象头(可能带有syncblk编号)和档次句柄占用。再说一回,对象的大小会碰着StructLayoutAttribute的影响。

看看图3中呈现的MyClass(有六个接口)的办法表的内存快照(Visual
Studio .NET
2003内存窗口),将它和SOS的输出举行比较。在图9中,对象大小位于4字节的偏移处,值为12(0x0000000C)字节。以下是SOS的DumpHeap命令的输出:

!DumpHeap -type MyClass
 Address       MT     Size
00a819ac 009552a0       12
total 1 objects
Statistics:
    MT  Count TotalSize Class Name
9552a0      1        12    MyClass

图片 15
情势槽表(Method Slot Table)

方法槽表(Method Slot Table)

在艺术表中蕴含了一个槽表,指向各类艺术的叙说(MethodDesc),提供了序列的行为能力。方法槽表是依照方法实现的线性链表,依照如下顺序排列:继承的虚方法,引入的虚方法,实例方法,静态方法。

类加载器在最近类,父类和接口的元数据中遍历,然后成立方法表。在排列过程中,它替换所有的被覆盖的虚方法和被埋伏的父类方法,创建新的槽,在急需时复制槽。槽复制是必要的,它可以让各种接口有自己的蝇头的vtable。不过被复制的槽指向同一的大体实现。MyClass包含接口方法,一个类构造函数(.cctor)和目标构造函数(.ctor)。对象构造函数由C#编译器为具有没有显式定义构造函数的目标自动生成。因为我们定义并起初化了一个静态变量,编译器会扭转一个类构造函数。图10呈现了MyClass的措施表的布局。布局突显了10个艺术,因为Method2槽为接口IVMap举行了复制,下边大家会开展钻探。图11来得了MyClass的法子表的SOS的出口。

图10 MyClass MethodTable Layout
图片 16

图11 SOS Dump of MyClass Method Table

!DumpMT -MD 0x9552a0
  Entry  MethodDesc  Return Type       Name
0097203b 00972040    String            System.Object.ToString()
009720fb 00972100    Boolean           System.Object.Equals(Object)
00972113 00972118    I4                System.Object.GetHashCode()
0097207b 00972080    Void              System.Object.Finalize()
00955253 00955258    Void              MyClass.Method1()
00955263 00955268    Void              MyClass.Method2()
00955263 00955268    Void              MyClass.Method2()
00955273 00955278    Void              MyClass.Method3()
00955283 00955288    Void              MyClass..cctor()
00955293 00955298    Void              MyClass..ctor()

任何类型的起来4个措施总是ToString, Equals, GetHashCode, and
Finalize。这么些是从System.Object继承的虚方法。Method2槽被举行了复制,可是都指向相同的措施描述。代码展现定义的.cctor和.ctor会分别和静态方法和实例方法分在一组。

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主意描述(MethodDesc)

措施描述(MethodDesc)

方法描述(MethodDesc)是CLR知道的主意实现的一个包装。有几系列型的法门描述,除了用于托管实现,分别用于不同的相互操作实现的调用。在本文中,我们只考察图3代码中的托管方法描述。方法描述在类加载过程中发出,起头化为指向IL。每个方法描述包含一个预编译代理(PreJitStub),负责触发JIT编译。图12来得了一个卓越的布局,方法表的槽实际上指向代理,而不是事实上的格局描述数据结构。对于实际的情势描述,这是-5字节的晃动,是每个方法的8个附加字节的一片段。这5个字节包含了调用预编译代理程序的吩咐。5字节的撼动能够从SOS的DumpMT输出从察看,因为方法描述总是方法槽表指向的位置前边的5个字节。在首先次调用时,会调用JIT编译程序。在编译完成后,包含调用指令的5个字节会被跳转到JIT编译后的x86代码的权利跳转指令覆盖。

图 12情势描述

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图12的法子表槽指向的代码举行反汇编,展现了对预编译代理的调用。以下是在
Method2 被JIT编译前的反汇编的简化呈现。

Method2:

!u 0x00955263
Unmanaged code
00955263 call        003C3538        ;call to the jitted Method2()
00955268 add         eax,68040000h   ;ignore this and the rest
                                     ;as !u thinks it as code

明天我们实践此办法,然后反汇编相同的地方:

!u 0x00955263
Unmanaged code
00955263 jmp     02C633E8        ;call to the jitted Method2()
00955268 add     eax,0E8040000h  ;ignore this and the rest
                                 ;as !u thinks it as code

在此地方,唯有开头5个字节是代码,剩余字节包含了Method2的不二法门描述的数额。“!u”命令不理解这点,所以生成的是无规律的代码,你可以忽略5个字节后的所有东西。

CodeOrIL在JIT编译前包含IL中艺术实现的对峙虚地址(Relative Virtual
Address
,RVA)。此域用作标志,表示是否IL。在按要求编译后,CLR使用编译后的代码地址更新此域。让我们从列出的函数中精选一个,然后用DumpMT命令分别出口在JIT编译前后的办法描述的内容:

!DumpMD 0x00955268
Method Name : [DEFAULT] [hasThis] Void MyClass.Method2()
MethodTable 9552a0
Module: 164008
mdToken: 06000006
Flags : 400
IL RVA : 00002068

编译后,方法描述的内容如下:

!DumpMD 0x00955268
Method Name : [DEFAULT] [hasThis] Void MyClass.Method2()
MethodTable 9552a0
Module: 164008
mdToken: 06000006
Flags : 400
Method VA : 02c633e8

办法的这么些标志域的编码包含了章程的项目,例如静态,实例,接口方法仍旧COM实现。让我们看方法表另外一个犬牙交错的下面:接口实现。它包裹了布局过程具有的复杂性,让托管环境觉得这一点看起来简单。然后,我们将表明接口怎么样进展布局和基于接口的法门分派的适度工作章程。

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接口虚表图和接口图

接口虚表图和接口图(Interface Vtable Map and Interface Map)

在艺术表的第12字节偏移处是一个第一的指针,接口虚表(IVMap)。如图9所示,接口虚表指向一个运用程序域层次的映射表,该表以进程层次的接口ID作为目录。接口ID在接口类型第一次加载时创制。每个接口的兑现都在接口虚表中有一个记下。假设MyInterface1被六个类实现,在接口虚表表中就有五个记录。该记录会反向指向MyClass方法表内含的子表的先导地方,如图9所示。那是接口方法分派发生时拔取的引用。接口虚表是按照方法表内含的接口图信息创建,接口图在章程表布局过程中基于类的元数据创立。一旦类型加载成功,只有接口虚表用于方法分派。

第28字节地方的接口图会指向内含在措施表中的接口信息记录。在这种场馆下,对MyClass实现的六个接口中的每一个都有两条记下。第一条接口音信记录的最先4个字节指向MyInterface1的连串句柄(见图9图10)。接着的WORD(2字节)被一个标明占用(0意味着从父类派生,1意味着由最近类实现)。在表明后的WORD是一个初叶槽(Start
Slot),被类加载器用来布局接口实现的子表。对于MyInterface2,初叶槽的值为4(从0开端编号),所以槽5和6指向实现;对于MyInterface2,起初槽的值为6,所以槽7和8指向实现。类加载器会在急需时复制槽来发生这么的效力:每个接口有自己的兑现,可是物理映射到同一的法子描述。在MyClass中,MyInterface1.Method2和MyInterface2.Method2会指向相同的落实。

遵照接口的不二法门分派通过接口虚表举行,而一向的情势分派通过保留在依次槽的方法描述地址举行。如以前提及,.NET框架使用fastcall的调用约定,发轫2个参数在可能的时候一般经过ECX和EDX寄存器传递。实例方法的首先个参数总是this指针,所以经过ECX寄存器传送,可以在“mov
ecx,esi”语句看到这点:

mi1.Method1();
mov    ecx,edi                 ;move "this" pointer into ecx
mov    eax,dword ptr [ecx]     ;move "TypeHandle" into eax
mov    eax,dword ptr [eax+0Ch] ;move IVMap address into eax at offset 12
mov    eax,dword ptr [eax+30h] ;move the ifc impl start slot into eax
call   dword ptr [eax]         ;call Method1

mc.Method1();
mov    ecx,esi                 ;move "this" pointer into ecx
cmp    dword ptr [ecx],ecx     ;compare and set flags
call   dword ptr ds:[009552D8h];directly call Method1

那么些反汇编显示了直白调用MyClass的实例方法没有选取偏移。JIT编译器把措施描述的地址直接写到代码中。基于接口的摊派通过接口虚表爆发,和直接分派相比较需要有的外加的通令。一个限令用来赢得接口虚表的地点,另一个获取格局槽表中的接口实现的起先槽。而且,把一个目标实例转换为接口只需要拷贝this指针到对象的变量。在图2中,语句“mi1=mc”使用一个限令把mc的对象引用拷贝到mi1。

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虚分派(Virtual Dispatch)

虚分派(Virtual Dispatch)

前几日大家看看虚分派,并且和遵照接口的分担举办相比。以下是图3中MyClass.Method3的虚函数调用的反汇编代码:

mc.Method3();
Mov    ecx,esi               ;move "this" pointer into ecx
Mov    eax,dword ptr [ecx]   ;acquire the MethodTable address
Call   dword ptr [eax+44h]   ;dispatch to the method at offset 0x44

虚分派总是通过一个原则性的槽编号暴发,和情势表指针在特定的类(类型)实现层次无关。在措施表布局时,类加载器用覆盖的子类的贯彻代替父类的贯彻。结果,对父对象的点子调用被分派到子对象的落实。反汇编显示了分派通过8号槽暴发,能够在调试器的内存窗口(如图10所示)和DumpMT的输出看到这点。

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静态变量

静态变量(Static Variables)

静态变量是办法表数据结构的机要组成部分。作为艺术表的一有的,它们分配在措施表的槽数组后。所有的原本静态类型是内联的,而对于协会和引用的花色的静态值对象,通在句柄表中开创的对象引用来针对。方法表中的目标引用指向应用程序域的句柄表的目标引用,它引用了堆上创制的靶子实例。一旦成立后,句柄表内的对象引用会使堆上的目标实例保持生存,直到应用程序域被卸载。在图9
中,静态字符串变量str指向句柄表的靶子引用,后者指向GC堆上的MyString。

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EEClass

EEClass

EEClass在章程表成立前起首生活,它和方法表组成起来,是项目表明的CLR版本。实际上,EEClass和办法表逻辑上是一个数据结构(它们一起表示一个品类),只然而因为运用频度的不同而被分开。平日使用的域放在方法表,而不平时应用的域在EEClass中。这样,需要被JIT编译函数使用的信息(如名字,域和偏移)在EEClass中,可是运行时索要的信息(如虚表槽和GC音讯)在点子表中。

对每一个体系会加载一个EEClass到利用程序域中,包括接口,类,抽象类,数组和结构。每个EEClass是一个被实施引擎跟踪的树的节点。CLR使用这些网络在EEClass结构中浏览,其目标包括类加载,方法表布局,类型验证和类型转换。EEClass的子-父关系基于继承层次建立,而父-子关系基于接口层次和类加载顺序的构成。在进行托管代码的进程中,新的EEClass节点被投入,节点的关联被填补,新的关系被确立。在网络中,相邻的EEClass还有一个品位的涉及。EEClass有五个域用于管理被加载类型的节点关系:父类(Parent
Class),相邻链(sibling chain)和子链(children
chain)。关于图4中的MyClass上下文中的EEClass的语义,请参考图13

图13只突显了和那些探究有关的一些域。因为大家忽视了布局中的一些域,大家一贯不在图中适量呈现偏移。EEClass有一个直接的对于措施表的引用。EEClass也本着在默认使用程序域的累累堆分配的点子描述块。在章程表创立时,对经过堆上分配的域描述列表的一个引用提供了域的布局信息。EEClass在采纳程序域的低频堆分配,这样操作系统可以更好的举行内存分页管理,由此削减了办事集。

图13 EEClass 布局

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图13中的其它域在MyClass(图3)的上下文的意义不言自明。大家先天看看使用SOS输出的EEClass的确实的大体内存。在mc.Method1代码行设置断点后,运行图3的顺序。首先应用命令Name2EE拿到MyClass的EEClass的地址。

!Name2EE C:WorkingtestClrInternalsSample1.exe MyClass

MethodTable: 009552a0
EEClass: 02ca3508
Name: MyClass

Name2EE的首先个参数时模块名,可以从DumpDomain命令得到。现在我们得到了EEClass的地点,我们输出EEClass:

!DumpClass 02ca3508
Class Name : MyClass, mdToken : 02000004, Parent Class : 02c4c3e4
ClassLoader : 00163ad8, Method Table : 009552a0, Vtable Slots : 8
Total Method Slots : a, NumInstanceFields: 0,
NumStaticFields: 2,FieldDesc*: 00955224

      MT    Field   Offset  Type           Attr    Value    Name
009552a0  4000001   2c      CLASS          static 00a8198c  str
009552a0  4000002   30      System.UInt32  static aaaaaaaa  ui

图13和DumpClass的输出看起来完全平等。元数据令牌(metadata
token,mdToken)表示了在模块PE文件中映射到内存的元数据表的MyClass索引,父类指向System.Object。从相邻链指向名为Program的EEClass,可以掌握图13来得的是加载Program时的结果。

MyClass有8个虚表槽(可以被虚分派的点子)。尽管Method1和Method2不是虚方法,它们可以在通过接口举办分摊时被认为是虚函数并投入到列表中。把.cctor和.ctor参预到列表中,你会取得总共10个措施。最后列出的是类的两个静态域。MyClass没有实例域。另外域不言自明。

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Conclusion结论

结论

咱俩关于CLR一些最重要的内在的啄磨旅程终于终止了。显明,还有为数不少题材需要涉及,而且需要在更深的层系上谈论,然则大家期望这可以扶持你见到事物怎么样工作。这里提供的广大的音信或者会在.NET框架和CLR的新生版本中改变,然而即使本文提到的CLR数据结构可能改变,概念应该保持不变。

趁着通用语言运行时(CLR)即将成为在Windows®下开发应用程序的首选架构,对其展开深切了解会赞助你建立有效的工业强度的应用程序。在本文中,大家将探索CLR内部,包括对象实例布局,方法表布局,方法分派,基于接口的摊派和见仁见智的数据结构。

大家将使用C#编制的简易代码示例,以便任何固有的语言语法含义是C#的缺省定义。某些此处探讨的数据结构和算法可能会在Microsoft®
.NET Framework 2.0中改变,但是根本概念应该维持不变。大家运用Visual
Studio® .NET 2003调试器和调试器扩展Son of Strike
(SOS)来查阅本文探究的数据结构。SOS明白CLR的中间数据结构并出口有用音讯。请参考“Son
of Strike”补充资料,领悟如何将SOS.dll装入Visual Studio .NET
2003调试器的长河空间。本文中,大家将讲述在共享源代码CLI(Shared Source
CLI,SSCLI)中有对应实现的类,你能够从msdn.microsoft.com/net/sscli下载。图1将帮扶您在SSCLI的数以兆计的代码中找到所参考的结构。

在我们最先前,请留心:本文提供的信息只对在X86平台上运行的.NET Framework
1.1可行(对于Shared Source CLI
1.0也多数适用,只是在某些交互操作的境况下必须注意例外),对于.NET
Framework
2.0会有转移,所以请不要在构建软件时倚重于这多少个内部结构的不变性。

CLR启动程序(Bootstrap)成立的域

在CLR执行托管代码的第一行代码前,会成立两个使用程序域。其中几个对于托管代码甚至CLR宿主程序(CLR
hosts)都是不可见的。它们只可以由CLR启动进程创设,而提供CLR启动进程的是shim——mscoree.dll和mscorwks.dll
(在多处理器系统下是mscorsvr.dll)。正如图2所示,那么些域是系统域(System
Domain)和共享域(Shared
Domain),都是使用了单件(Singleton)情势。第多少个域是缺省应用程序域(Default
AppDomain),它是一个AppDomain的实例,也是绝无仅有的有命名的域。对于简易的CLR宿主程序,比如控制台程序,默认的域名由可实施映象文件的名字组成。另外的域可以在托管代码中选择AppDomain.CreateDomain方法创造,或者在非托管的代码中使用ICORRuntimeHost接口创设。复杂的宿主程序,比如ASP.NET,对于特定的网站会基于应用程序的数码制造五个域。

图片 25

2 由CLR启动程序创制的域

图片 26归来页首

系统域(System Domain)

系统域负责创设和最先化共享域和默认使用程序域。它将系统库mscorlib.dll载入共享域,并且珍贵过程范围里边使用的隐含或者显式字符串符号。

字符串驻留(string interning)是.NET Framework
1.1中的一个优化特性,它的拍卖办法显得有些昏头转向,因为CLR没有给程序集机会采用此特性。即使如此,由于在富有的选取程序域中对一个特定的记号只保留一个相应的字符串,此特性可以节省内存空间。

系统域还担当爆发过程范围的接口ID,并用来制造每个应用程序域的接口虚表映射图(InterfaceVtableMaps)的接口。系统域在经过中保持跟踪所有域,并实现加载和卸载应用程序域的效益。

图片 27重回页首

共享域(Shared Domain)

怀有不属于其他特定域的代码被加载到系统库SharedDomain.Mscorlib,对于持有应用程序域的用户代码都是不可或缺的。它会被自动加载到共享域中。系统命名空间的为主项目,如Object,
ValueType, Array, Enum, String, and
Delegate等等,在CLR启动程序过程中被事先加载到本域中。用户代码也足以被加载到这个域中,方法是在调用CorBindToRuntimeEx时使用由CLR宿主程序指定的LoaderOptimization特性。控制台程序也得以加载代码到共享域中,方法是行使System.LoaderOptimizationAttribute特性申明Main方法。共享域还管理一个行使基地址作为目录的次序集映射图,此映射图作为管理共享程序集倚重关系的查找表,这么些程序集被加载到默认域(DefaultDomain)和其他在托管代码中创立的采取程序域。非共享的用户代码被加载到默认域。

图片 28回到页首

默认域(Default Domain)

默认域是拔取程序域(AppDomain)的一个实例,一般的应用程序代码在其中运行。即便有些应用程序需要在运行时成立额外的使用程序域(比如有些使用插件,plug-in,架构或者拓展重大的运作时代码生成工作的应用程序),大部分的应用程序在运行期间只创制一个域。所有在此域运行的代码都是在域层次上有上下文限制。如若一个应用程序有多少个使用程序域,任何的域间访问会通过.NET
Remoting代理。额外的域内上下文限制消息方可采用System.ContextBoundObject派生的品类创制。每个应用程序域有投机的安全描述符(SecurityDescriptor),安全上下文(SecurityContext)和默认上下文(DefaultContext),还有温馨的加载器堆(高频堆,低频堆和代理堆),句柄表,接口虚表管理器和程序集缓存。

图片 29回去页首

加载器堆(Loader Heaps)

加载器堆的功效是加载不同的运作时CLR部件和优化在域的成套生命期内设有的部件。这些堆的增高基于可预测块,这样可以使碎片最小化。加载器堆不同于垃圾回收堆(或者对称多处理器上的五个堆),垃圾回收堆保存对象实例,而加载器堆同时保留类型系统。平时访问的预制构件如方法表,方法描述,域描述和接口图,分配在反复堆上,而较少访问的数据结构如EEClass和类加载器及其查找表,分配在低频堆。代理堆保存用于代码访问安全性(code
access security, CAS)的代办部件,如COM封装调用和平台调用(P/Invoke)。

从高层次领悟域后,我们准备看看它们在一个简约的应用程序的上下文中的大体细节,见图3。我们在程序运行时停在mc.Method1(),然后使用SOS调试器扩充命令DumpDomain来输出域的音讯。(请查看Son
of
Strike
叩问SOS的加载音讯)。这里是编辑后的输出:

!DumpDomain
System Domain: 793e9d58, LowFrequencyHeap: 793e9dbc,
HighFrequencyHeap: 793e9e14, StubHeap: 793e9e6c,
Assembly: 0015aa68 [mscorlib], ClassLoader: 0015ab40
Shared Domain: 793eb278, LowFrequencyHeap: 793eb2dc,
HighFrequencyHeap: 793eb334, StubHeap: 793eb38c,
Assembly: 0015aa68 [mscorlib], ClassLoader: 0015ab40
Domain 1: 149100, LowFrequencyHeap: 00149164,
HighFrequencyHeap: 001491bc, StubHeap: 00149214,
Name: Sample1.exe, Assembly: 00164938 [Sample1],
ClassLoader: 00164a78

大家的控制台程序,山姆(Sam)ple1.exe,被加载到一个名为“山姆(Sam)ple1.exe”的利用程序域。Mscorlib.dll被加载到共享域,但是因为它是主导系统库,所以也在系统域中列出。每个域会分配一个屡屡堆,低频堆和代办堆。系统域和共享域使用相同的类加载器,而默认应用程序使用自己的类加载器。

输出没有彰显加载器堆的保存尺寸和已交付尺寸。高频堆的起始化大小是32KB,每一回提交4KB。SOS的输出也尚未出示接口虚表堆(InterfaceVtableMap)。每个域有一个接口虚表堆(简称为IVMap),由友好的加载器堆在域初阶化阶段创制。IVMap保留大小是4KB,起头时提交4KB。大家将会在持续部分啄磨项目布局时切磋IVMap的意义。

图2显示默认的经过堆,JIT代码堆,GC堆(用于小目标)和大目的堆(用于大小相当于依然超越85000字节的目的),它阐明了这个堆和加载器堆的语义区别。即时(just-in-time,
JIT)编译器爆发x86指令并且保留到JIT代码堆中。GC堆和大目的堆是用以托管对象实例化的废品回收堆。

图片 30再次回到页首

类型原理

项目是.NET编程中的基本单元。在C#中,类型能够使用class,struct和interface关键字展开宣示。大多数体系由程序员显式创制,不过,在特意的相互操作(interop)情形和长途对象调用(.NET
Remoting)场地中,.NET
CLR会隐式的发出类型,这么些发生的品种涵盖COM和运转时可调用封装及传输代理(Runtime
Callable Wrappers and Transparent Proxies)。

我们通过一个含有对象引用的栈开首探讨.NET类型原理(典型地,栈是一个对象实例开端生命期的地点)。图4中显得的代码包含一个大概的主次,它有一个控制台的入口点,调用了一个静态方法。Method1创制一个SmallClass的系列实例,该项目涵盖一个字节数组,用于演示咋样在大目的堆成立对象。即便这是一段无聊的代码,可是足以协理大家举行探究。

图5显示了截至在Create方法“return
smallObj;”代码行断点时的fastcall栈结构(fastcall时.NET的调用规范,它表达在可能的情形下将函数参数通过寄存器传递,而任何参数依照从右到左的逐条入栈,然后由被调用函数完成出栈操作)。本地值类型变量objSize内含在栈结构中。引用类型变量如smallObj以稳住大小(4字节DWORD)保存在栈中,包含了在相似GC堆中分配的目的的地址。对于传统C++,这是目标的指针;在托管世界中,它是目的的引用。不管怎么着,它包含了一个对象实例的地址,大家将利用术语对象实例(ObjectInstance)描述对象引用指向地址地点的数据结构。

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图5 SimpleProgram的栈结构和堆

貌似GC堆上的smallObj对象实例包含一个名为_largeObj的字节数组(注意,图中呈现的高低为85016字节,是实在的储备大小)。CLR对超过或等于85000字节的目的的拍卖和小目的不同。大目标在大目的堆(LOH)上分红,而小目标在形似GC堆上创造,这样可以优化对象的分配和回收。LOH不会减小,而GC堆在GC回收时举行压缩。还有,LOH只会在一齐GC回收时被回收。

smallObj的对象实例包含类型句柄(TypeHandle),指向对应档次的方法表。每个注解的项目有一个方法表,而平等档次的具有目的实例都针对同一个方法表。它包含了花色的特色消息(接口,抽象类,具体类,COM封装和代理),实现的接口数目,用于接口分派的接口图,方法表的槽(slot)数目,指向相应实现的槽表。

艺术表指向一个名为EEClass的重中之重数据结构。在措施表创立前,CLR类加载器从元数据中开创EEClass。图4中,SmallClass的艺术表指向它的EEClass。这一个构造指向它们的模块和次序集。方法表和EEClass一般分配在共享域的加载器堆。加载器堆和运用程序域关联,这里涉及的数据结构一旦被加载到里面,就直到应用程序域卸载时才会流失。而且,默认的行使程序域不会被卸载,所以这些代码的生存期是截至CLR关闭截至。

图片 32归来页首

对象实例

正如我们说过的,所有值类型的实例或者隐含在线程栈上,或者隐含在GC堆上。所有的引用类型在GC堆或者LOH上开创。图6来得了一个典型的靶子布局。一个对象可以通过以下途径被引述:基于栈的一部分变量,在互动操作依旧平台调用意况下的句柄表,寄存器(执行形式时的this指针和情势参数),拥有终结器(finalizer)方法的对象的终结器队列。OBJECTREF不是指向目的实例的上马地方,而是有一个DWORD的偏移量(4字节)。此DWORD称为对象头,保存一个指向SyncTableEntry表的目录(从1始发计数的syncblk编号。因为经过索引举行连续,所以在急需扩张表的轻重缓急时,CLR能够在内存中移动那个表。SyncTableEntry维护一个反向的弱引用,以便CLR可以跟踪SyncBlock的所有权。弱引用让GC可以在尚未另外强引用存在时回收对象。SyncTableEntry还保存了一个指向SyncBlock的指针,包含了很少需要被一个目标的兼具实例使用的有效性的信息。这个信息包括对象锁,哈希编码,任何转换层(thunking)数据和行使程序域的目录。对于大多数的靶子实例,不会为实际的SyncBlock分配内存,而且syncblk编号为0。这点在实施线程境遇如lock(obj)或者obj.GetHashCode的言辞时会暴发变化,如下所示:

SmallClass obj = new SmallClass()
// Do some work here
lock(obj) { /* Do some synchronized work here */ }
obj.GetHashCode();

在上述代码中,smallObj会使用0作为它的发端的syncblk编号。lock语句使得CLR创制一个syncblk入口并使用相应的数值更新对象头。因为C#的lock关键字会扩张为try-finally语句并运用Monitor类,一个看作同步的Monitor对象在syncblk上创设。堆GetHashCode的调用会动用对象的哈希编码增添syncblk。

在SyncBlock中有其他的域,它们在COM交互操作和封送委托(marshaling
delegates)到非托管代码时行使,可是这和超绝的靶子用处无关。

项目句柄紧跟在目标实例中的syncblk编号后。为了保持连续性,我会在认证实例变量后啄磨类型句柄。实例域(Instance
field)的变量列表紧跟在品种句柄后。默认意况下,实例域会以内存最得力利用的章程排列,这样只需要最少的作为对齐的填充字节。图7的代码显示了SimpleClass包含有一部分不等尺寸的实例变量。

图8体现了在Visual
Studio调试器的内存窗口中的一个SimpleClass对象实例。我们在图7的return语句处设置了断点,然后利用ECX寄存器保存的simpleObj地址在内存窗口展示对象实例。前4个字节是syncblk编号。因为我们一直不用其他共同代码应用此实例(也未曾访问它的哈希编码),syncblk编号为0。保存在栈变量的对象实例,指向起头地点的4个字节的偏移处。字节变量b1,b2,b3和b4被一个接一个的排列在一道。六个short类型变量s1和s2也被排列在一齐。字符串变量str是一个4字节的OBJECTREF,指向GC堆中分配的莫过于的字符串实例。字符串是一个特地的品种,因为所有包含同样文字标记的字符串,会在程序集加载到过程时指向一个大局字符串表的一样实例。那么些过程称为字符串驻留(string
interning),设计目标是优化内存的运用。我们在此之前早已提过,在NET Framework
1.1中,程序集无法选用是否采取这多少个进程,尽管将来版本的CLR可能会提供这样的能力。

据此默认情状下,成员变量在源代码中的词典顺序没有在内存中保持。在相互操作的事态下,词典顺序必须被封存到内存中,那时可以运用StructLayoutAttribute特性,它有一个LayoutKind的枚举类型作为参数。LayoutKind.Sequential能够为被封送(marshaled)数据保持词典顺序,即使在.NET
Framework 1.1中,它从未影响托管的布局(然而.NET Framework
2.0也许会这样做)。在相互操作的动静下,假若您确实需要分外的填充字节和出示的控制域的顺序,LayoutKind.Explicit可以和域层次的菲尔德(Field)(Field)Offset特性一起使用。

看完底层的内存内容后,我们利用SOS看看对象实例。一个得力的吩咐是DumpHeap,它可以列出所有的堆内容和一个特地类型的兼具实例。无需看重寄存器,DumpHeap可以显示我们创制的绝无仅有一个实例的地址。

!DumpHeap -type SimpleClass
Loaded Son of Strike data table version 5 from
"C:\WINDOWS\Microsoft.NET\Framework\v1.1.4322\mscorwks.dll"
Address       MT     Size
00a8197c 00955124       36
Last good object: 00a819a0
total 1 objects
Statistics:
MT    Count TotalSize Class Name
955124        1        36 SimpleClass

目的的总大小是36字节,不管字符串多大,SimpleClass的实例只含有一个DWORD的目的引用。SimpleClass的实例变量只占用28字节,另外8个字节包括项目句柄(4字节)和syncblk编号(4字节)。找到simpleObj实例的地址后,大家可以动用DumpObj命令输出它的始末,如下所示:

!DumpObj 0x00a8197c
Name: SimpleClass
MethodTable 0x00955124
EEClass 0x02ca33b0
Size 36(0x24) bytes
FieldDesc*: 00955064
MT    Field   Offset                 Type       Attr    Value Name
00955124  400000a        4         System.Int64   instance      31 l1
00955124  400000b        c                CLASS   instance 00a819a0 str
<< some fields omitted from the display for brevity >>
00955124  4000003       1e          System.Byte   instance        3 b3
00955124  4000004       1f          System.Byte   instance        4 b4

正如在此之前说过,C#编译器对于类的默认布局使用LayoutType.Auto(对于社团选择LayoutType.Sequential);由此类加载器重新排列实例域以最小化填充字节。我们得以接纳ObjSize来输出包含被str实例占用的长空,如下所示:

!ObjSize 0x00a8197c
sizeof(00a8197c) =       72 (    0x48) bytes (SimpleClass)

一经你从目的图的大局大小(72字节)减去SimpleClass的轻重缓急(36字节),就可以收获str的轻重缓急,即36字节。让大家输出str实例来阐明这一个结果:

!DumpObj 0x00a819a0
Name: System.String
MethodTable 0x009742d8
EEClass 0x02c4c6c4
Size 36(0x24) bytes

假如您将字符串实例的轻重(36字节)加上SimpleClass实例的高低(36字节),就足以获取ObjSize命令报告的总大小72字节。

请小心ObjSize不带有syncblk结构占用的内存。而且,在.NET Framework
1.1中,CLR不晓得非托管资源占用的内存,如GDI对象,COM对象,文件句柄等等;由此它们不会被这多少个命令报告。

针对方法表的花色句柄在syncblk编号后分配。在目标实例创制前,CLR查看加载类型,假使没有找到,则开展加载,拿到方法表地址,成立对象实例,然后把项目句柄值追加到对象实例中。JIT编译器暴发的代码在展开艺术分派时采用项目句柄来稳定方法表。CLR在急需史可以经过艺术表反向访问加载类型时利用项目句柄。

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方法表

各个类和实例在加载到使用程序域时,会在内存中通过措施表来表示。这是在目标的第一个实例创造前的类加载活动的结果。对象实例表示的是气象,而艺术表表示了作为。通过EEClass,方法表把对象实例绑定到被语言编译器爆发的映照到内存的元数据结构(metadata
structures)。方法表包含的音讯和外挂的音讯方可因此System.Type访问。指向方法表的指针在托管代码中得以经过Type.RuntimeTypeHandle属性拿到。对象实例包含的档次句柄指向方法表起头地点的偏移处,偏移量默认情况下是12字节,包含了GC信息。大家不打算在此间对其进展座谈。

图9展现了艺术表的超人布局。我们会注解项目句柄的一些根本的域,不过对于截然的列表,请参见此图。让我们从基实例大小(Base
Instance Size)起先,因为它直接关系到运行时的内存状态。

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基实例大小

基实例大小是由类加载器统计的目的的大大小小,基于代码中注明的域。往日早已啄磨过,当前GC的兑现内需一个最少12字节的目的实例。倘使一个类没有定义任何实例域,它起码含有额外的4个字节。另外的8个字节被对象头(可能带有syncblk编号)和品种句柄占用。再说五次,对象的深浅会碰到StructLayoutAttribute的影响。

看看图3中突显的MyClass(有五个接口)的方法表的内存快照(Visual
Studio .NET
2003内存窗口),将它和SOS的出口举办比较。在图9中,对象大小位于4字节的舞狮处,值为12(0x0000000C)字节。以下是SOS的DumpHeap命令的输出:

!DumpHeap -type MyClass
Address       MT     Size
00a819ac 009552a0       12
total 1 objects
Statistics:
MT  Count TotalSize Class Name
9552a0      1        12    MyClass

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方法槽表(Method Slot Table)

在措施表中包含了一个槽表,指向各种艺术的叙说(MethodDesc),提供了序列的行为能力。方法槽表是依据方法实现的线性链表,遵照如下顺序排列:继承的虚方法,引入的虚方法,实例方法,静态方法。

类加载器在当下类,父类和接口的元数据中遍历,然后创立方法表。在排列过程中,它替换所有的被覆盖的虚方法和被埋伏的父类方法,创造新的槽,在急需时复制槽。槽复制是必要的,它可以让各种接口有协调的蝇头的vtable。可是被复制的槽指向同一的大体实现。MyClass包含接口方法,一个类构造函数(.cctor)和目的构造函数(.ctor)。对象构造函数由C#编译器为有着没有显式定义构造函数的目的自动生成。因为大家定义并初叶化了一个静态变量,编译器会扭转一个类构造函数。图10体现了MyClass的法门表的布局。布局展现了10个艺术,因为Method2槽为接口IVMap举行了复制,下边我们会开展商量。图11来得了MyClass的不二法门表的SOS的输出。

任何类型的起来4个章程总是ToString, Equals, GetHashCode, and
Finalize。这些是从System.Object继承的虚方法。Method2槽被进行了复制,不过都对准相同的法门描述。代码显示定义的.cctor和.ctor会分别和静态方法和实例方法分在一组。

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主意描述(MethodDesc)

情势描述(MethodDesc)是CLR知道的法子实现的一个包装。有二种档次的办法描述,除了用于托管实现,分别用于不同的竞相操作实现的调用。在本文中,大家只考察图3代码中的托管方法描述。方法描述在类加载过程中发出,先导化为指向IL。每个方法描述包含一个预编译代理(PreJitStub),负责触发JIT编译。图12出示了一个典型的布局,方法表的槽实际上指向代理,而不是实际上的措施描述数据结构。对于实际的措施描述,这是-5字节的撼动,是各样方法的8个叠加字节的一局部。这5个字节包含了调用预编译代理程序的命令。5字节的偏移可以从SOS的DumpMT输出从观望,因为方法描述总是方法槽表指向的地方前面的5个字节。在第一次调用时,会调用JIT编译程序。在编译完成后,包含调用指令的5个字节会被跳转到JIT编译后的x86代码的无偿跳转指令覆盖。

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图12 方法描述

对图12的形式表槽指向的代码举行反汇编,显示了对预编译代理的调用。以下是在Method2被JIT编译前的反汇编的简化显示。

!u 0x00955263
Unmanaged code
00955263 call        003C3538        ;call to the jitted Method2()
00955268 add         eax,68040000h   ;ignore this and the rest
;as !u thinks it as code

前几日大家实践此办法,然后反汇编相同的地方:

!u 0x00955263
Unmanaged code
00955263 jmp     02C633E8        ;call to the jitted Method2()
00955268 add     eax,0E8040000h  ;ignore this and the rest
;as !u thinks it as code

在此地点,只有发轫5个字节是代码,剩余字节包含了Method2的措施描述的数量。“!u”命令不通晓那一点,所以生成的是无规律的代码,你可以忽略5个字节后的所有东西。

CodeOrIL在JIT编译前包含IL中艺术实现的相持虚地址(Relative Virtual
Address
,RVA)。此域用作标志,表示是否IL。在按要求编译后,CLR使用编译后的代码地址更新此域。让大家从列出的函数中精选一个,然后用DumpMT命令分别出口在JIT编译前后的方法描述的内容:

!DumpMD 0x00955268
Method Name : [DEFAULT] [hasThis] Void MyClass.Method2()
MethodTable 9552a0
Module: 164008
mdToken: 06000006
Flags : 400
IL RVA : 00002068

编译后,方法描述的始末如下:

!DumpMD 0x00955268
Method Name : [DEFAULT] [hasThis] Void MyClass.Method2()
MethodTable 9552a0
Module: 164008
mdToken: 06000006
Flags : 400
Method VA : 02c633e8

办法的这个标志域的编码包含了法子的项目,例如静态,实例,接口方法依旧COM实现。让大家看方法表此外一个犬牙交错的下面:接口实现。它包裹了布局过程具有的复杂性,让托管环境觉得这一点看起来简单。然后,大家将表达接口怎样进展布局和基于接口的点子分派的恰当工作措施。

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接口虚表图和接口图

在章程表的第12字节偏移处是一个重点的指针,接口虚表(IVMap)。如图9所示,接口虚表指向一个施用程序域层次的映射表,该表以进程层次的接口ID作为目录。接口ID在接口类型第一次加载时成立。每个接口的实现都在接口虚表中有一个记下。假使MyInterface1被五个类实现,在接口虚表表中就有四个记录。该记录会反向指向MyClass方法表内含的子表的始发地方,如图9所示。这是接口方法分派发生时选取的引用。接口虚表是按照方法表内含的接口图消息创设,接口图在章程表布局过程中基于类的元数据创设。一旦类型加载成功,惟有接口虚表用于方法分派。

第28字节地方的接口图会指向内含在措施表中的接口信息记录。在这种情状下,对MyClass实现的两个接口中的每一个都有两条记下。第一条接口信息记录的起始4个字节指向MyInterface1的档次句柄(见图9图10)。接着的WORD(2字节)被一个标明占用(0代表从父类派生,1意味着由近来类实现)。在表明后的WORD是一个发端槽(Start
Slot),被类加载器用来布局接口实现的子表。对于MyInterface2,起先槽的值为4(从0起始编号),所以槽5和6指向实现;对于MyInterface2,起初槽的值为6,所以槽7和8指向实现。类加载器会在需要时复制槽来爆发这样的效应:每个接口有友好的实现,但是物理映射到同一的模式描述。在MyClass中,MyInterface1.Method2和MyInterface2.Method2会指向相同的贯彻。

据悉接口的章程分派通过接口虚表举办,而一向的措施分派通过保留在逐个槽的艺术描述地址举办。如在此之前提及,.NET框架使用fastcall的调用约定,伊始2个参数在可能的时候一般经过ECX和EDX寄存器传递。实例方法的首先个参数总是this指针,所以通过ECX寄存器传送,可以在“mov
ecx,esi”语句看到这一点:

mi1.Method1();
mov    ecx,edi                 ;move "this" pointer into ecx
mov    eax,dword ptr [ecx]     ;move "TypeHandle" into eax
mov    eax,dword ptr [eax+0Ch] ;move IVMap address into eax at offset 12
mov    eax,dword ptr [eax+30h] ;move the ifc impl start slot into eax
call   dword ptr [eax]         ;call Method1
mc.Method1();
mov    ecx,esi                 ;move "this" pointer into ecx
cmp    dword ptr [ecx],ecx     ;compare and set flags
call   dword ptr ds:[009552D8h];directly call Method1

这个反汇编呈现了第一手调用MyClass的实例方法没有采用偏移。JIT编译器把办法描述的地址直接写到代码中。基于接口的分担通过接口虚表暴发,和平昔分派相比较需要有的附加的一声令下。一个发令用来收获接口虚表的地址,另一个拿走情势槽表中的接口实现的起始槽。而且,把一个目标实例转换为接口只需要拷贝this指针到对象的变量。在图2中,语句“mi1=mc”使用一个发令把mc的靶子引用拷贝到mi1。

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虚分派(Virtual Dispatch)

前天大家看看虚分派,并且和按照接口的分担举行相比较。以下是图3中MyClass.Method3的虚函数调用的反汇编代码:

mc.Method3();
Mov    ecx,esi               ;move "this" pointer into ecx
Mov    eax,dword ptr [ecx]   ;acquire the MethodTable address
Call   dword ptr [eax+44h]   ;dispatch to the method at offset 0x44

虚分派总是通过一个稳定的槽编号爆发,和格局表指针在一定的类(类型)实现层次无关。在章程表布局时,类加载器用覆盖的子类的兑现代替父类的贯彻。结果,对父对象的方法调用被分派到子对象的落实。反汇编显示了分派通过8号槽爆发,可以在调试器的内存窗口(如图10所示)和DumpMT的出口看到那或多或少。

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静态变量

静态变量是方法表数据结构的第一组成部分。作为艺术表的一有些,它们分配在措施表的槽数组后。所有的原始静态类型是内联的,而对此社团和引用的品种的静态值对象,通在句柄表中开创的目的引用来针对。方法表中的目的引用指向应用程序域的句柄表的靶子引用,它引用了堆上创立的对象实例。一旦创设后,句柄表内的目的引用会使堆上的目的实例保持生存,直到应用程序域被卸载。在图9
中,静态字符串变量str指向句柄表的靶子引用,后者指向GC堆上的MyString。

图片 41回到页首

EEClass

EEClass在情势表创制前开首生活,它和艺术表组成起来,是项目阐明的CLR版本。实际上,EEClass和方法表逻辑上是一个数据结构(它们一起表示一个项目),只不过因为运用频度的不等而被分手。平时利用的域放在方法表,而不经常采纳的域在EEClass中。那样,需要被JIT编译函数使用的音讯(如名字,域和偏移)在EEClass中,可是运行时索要的新闻(如虚表槽和GC音讯)在艺术表中。

对每一个品类会加载一个EEClass到使用程序域中,包括接口,类,抽象类,数组和协会。每个EEClass是一个被实施引擎跟踪的树的节点。CLR使用这些网络在EEClass结构中浏览,其目的包括类加载,方法表布局,类型验证和类型转换。EEClass的子-父关系基于继承层次建立,而父-子关系基于接口层次和类加载顺序的结合。在执行托管代码的长河中,新的EEClass节点被投入,节点的涉嫌被填补,新的涉及被确立。在网络中,相邻的EEClass还有一个程度的关联。EEClass有六个域用于管理被加载类型的节点关系:父类(Parent
Class),相邻链(sibling chain)和子链(children
chain)。关于图4中的MyClass上下文中的EEClass的语义,请参考图13。

图13只展现了和那么些啄磨有关的一些域。因为大家忽略了布局中的一些域,我们没有在图中分外彰显偏移。EEClass有一个直接的对于措施表的引用。EEClass也针对在默认使用程序域的多次堆分配的不二法门描述块。在格局表成立时,对过程堆上分配的域描述列表的一个引用提供了域的布局信息。EEClass在使用程序域的低频堆分配,这样操作系统可以更好的开展内存分页管理,因而收缩了办事集。

图片 42

图13 EEClass 布局

图13中的另外域在MyClass(图3)的上下文的意义不言自明。我们前几天看望使用SOS输出的EEClass的真正的物理内存。在mc.Method1代码行设置断点后,运行图3的次第。首先拔取命令Name2EE得到MyClass的EEClass的地点。

!Name2EE C:\Working\test\ClrInternals\Sample1.exe MyClass
MethodTable: 009552a0
EEClass: 02ca3508
Name: MyClass

Name2EE的率先个参数时模块名,可以从DumpDomain命令得到。现在大家取得了EEClass的地点,我们输出EEClass:

!DumpClass 02ca3508
Class Name : MyClass, mdToken : 02000004, Parent Class : 02c4c3e4
ClassLoader : 00163ad8, Method Table : 009552a0, Vtable Slots : 8
Total Method Slots : a, NumInstanceFields: 0,
NumStaticFields: 2,FieldDesc*: 00955224
MT    Field   Offset  Type           Attr    Value    Name
009552a0  4000001   2c      CLASS          static 00a8198c  str
009552a0  4000002   30      System.UInt32  static aaaaaaaa  ui 

图13和DumpClass的输出看起来完全一样。元数据令牌(metadata
token,mdToken)表示了在模块PE文件中映射到内存的元数据表的MyClass索引,父类指向System.Object。从相邻链指向名为Program的EEClass,可以精晓图13出示的是加载Program时的结果。

MyClass有8个虚表槽(能够被虚分派的艺术)。尽管Method1和Method2不是虚方法,它们可以在通过接口举行摊派时被认为是虚函数并投入到列表中。把.cctor和.ctor插足到列表中,你会取得总共10个办法。最终列出的是类的四个静态域。MyClass没有实例域。另外域不言自明。

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Conclusion结论

我们关于CLR一些最紧要的内在的研讨旅程终于终止了。分明,还有众多问题亟待涉及,而且亟需在更深的层系上谈论,不过我们愿意这能够襄助你看到东西如何行事。这里提供的众多的新闻或者会在.NET框架和CLR的新生版本中改变,可是即便本文提到的CLR数据结构可能改变,概念应该保障不变。

Hanu Kommalapati是微软Gulf
Coast区(Hughes顿)的一名架构师。他在微软前几天的角色是协助客户基于.NET框架建立可扩张的组件框架。可以透过hanuk@microsoft.com联系他。

Tom
Christian
是微软开支补助高级工程师,使用ASP.NET和用于WinDBG的.NET调试器扩充(sos/
psscor)。他在北卡罗来州的夏洛特(Charlotte),可以由此tomchris@microsoft.com联系他。

翻译者Luke是微软企业的软件工程师,习惯使用C++和C#支付应用程序。闲暇时间他喜爱音乐,旅游和怀旧游戏,并且愿意赞助MSDN翻译更多的稿子和此外开发者共享。可以由此ecaijw@msn.com联系他。

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